EP3616295A1 - Schaltungsanordnung und ladeverfahren für ein elektrisches energiespeichersystem - Google Patents

Schaltungsanordnung und ladeverfahren für ein elektrisches energiespeichersystem

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EP3616295A1
EP3616295A1 EP18716622.8A EP18716622A EP3616295A1 EP 3616295 A1 EP3616295 A1 EP 3616295A1 EP 18716622 A EP18716622 A EP 18716622A EP 3616295 A1 EP3616295 A1 EP 3616295A1
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EP
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energy storage
switching element
storage unit
terminal
pole terminal
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Marco Friedrich
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement and a charging method for an electric energy storage system according to the
  • Electric vehicles or hybrid vehicles (HEV)
  • battery modules are constructed by parallel and series connection of single battery cells, the
  • the battery pack has a rated voltage that defines the voltage range for charging and discharging, depending on the state of charge and the load on the battery pack.
  • a normal operating voltage of the vehicle drivetrain is currently limited to values of typically 300V to 450V for purely electrically powered vehicles.
  • Standard-compliant charging plugs are typically certified for rated currents up to 200 A, with DC charging voltage typically between 200 V to 850 V.
  • communication between energy storage system and charging device charging device side can be done within certain limits, a continuous control of charging voltage and charging current.
  • Parallel circuit hardwired, and at the same time continue to operate the drive side existing components, such as the inverter, at the normal operating voltage level.
  • FIG. 1 An example of a circuit arrangement according to the prior art is shown in FIG. 1: A DC charging device is electrically conductively connected to a battery system by means of switching elements. Between the battery system and at least one consumer further switching elements are arranged so that the battery system by means of the further switching elements with the consumer is electrically conductively connected. When not using the
  • FIG. 2 A further example of a circuit arrangement according to the prior art is shown in FIG. 2: an adaptation of the charging voltage of FIG. 2
  • DC charging device is made possible by means of a voltage converter between the DC charging device and the battery system.
  • This Voltage converter is disposed in an electrically powered vehicle powered by the battery system.
  • DE 103 30 834 A1 shows a method and a device for supplying at least one load in the event of a power failure.
  • WO 2011/105794 discloses a hybrid cell system with a serial
  • DE10 2012 219 488 A1 shows a circuit arrangement and a method for precharging a capacitive component.
  • the invention is based on a circuit arrangement for an electrical
  • Energy storage system having a first energy storage unit and a second energy storage unit, each having a first pole terminal and a second pole terminal, comprising:
  • Pol connection of the first energy storage unit is electrically conductively connected to a first terminal of the first switching element and the first output is electrically conductively connected to a second terminal of the first switching element
  • a second switching element which is arranged between the second pole terminal of the second energy storage unit and the second output, wherein the second pole terminal of the second energy storage unit is electrically conductively connected to a first terminal of the second switching element and the second Output electrically conductive with a second terminal of the second
  • first pole terminal of the first energy storage unit is electrically conductively connected to the first input by means of a seventh switching element and the second pole terminal of the second energy storage unit is electrically conductively connected to the second input by means of a further seventh switching element.
  • the essence of the invention is that between the second pole terminal of the first energy storage unit and the first pole terminal of the second
  • a third switching element is arranged, wherein the second pole terminal of the first energy storage unit is electrically conductively connected to a first terminal of the third switching element and the first pole terminal of the second energy storage unit is electrically conductively connected to a second terminal of the third switching element,
  • a fourth switching element is arranged, wherein the second pole terminal of the first energy storage unit is electrically conductively connected to a first terminal of the fourth switch element and the second pole terminal of the second energy storage unit electrically conductive with a second terminal of the fourth switching element is connected,
  • a fifth switching element is arranged between the first pole terminal of the first energy storage unit and the first pole terminal of the second energy storage unit, wherein the first pole terminal of the first energy storage unit is electrically conductively connected to a first terminal of the fifth switching element and the first pole terminal of the second energy storage unit is electrically conductive with a second terminal of the fifth switching element is connected,
  • the energy storage units are connected in parallel or in series depending on the switch position of the third, fourth and fifth switching element.
  • Energy storage are compatible.
  • the two energy storage units are made similar.
  • the maximum charging voltage of the energy storage system in series connection is twice as large as in parallel connection.
  • the third switching element is normally closed. So there is no control voltage to the third switching element, so it is closed.
  • the fourth and / or fifth switching element are normally open. So there is no control voltage to the fourth and / or fifth switching element, so it is open.
  • the circuit arrangement has at least one precharge circuit, which is set up to limit equalizing currents between the first energy storage unit and the second energy storage unit.
  • the different state of charge can be transferred to the parallel circuit.
  • the energy storage unit is charged with the lower state of charge by means of the precharge circuit and the energy storage units only connected in parallel when the states of charge of the energy storage units are aligned with each other.
  • the energy storage unit that has the energy storage cells with increased self-discharge is to be charged.
  • the precharge circuit is connected in parallel to the fourth
  • the circuit arrangement has a DC-DC converter and a sixth switching element, wherein a first input terminal of the DC-DC converter is electrically conductively connected to the second pole terminal of the first energy storage unit, wherein a second Input terminal of the DC-DC converter is electrically connected to the first pole terminal of the second energy storage unit, wherein the sixth switching element between a first output terminal of
  • Output terminal of the DC-DC converter is connected and a second terminal of the sixth switching element is electrically conductively connected to the first output, wherein a second output terminal of the DC-DC converter is electrically connected to the first terminal of the second switching element.
  • DC voltage converter are thus further electrical components during a charging of the energy storage system operable.
  • the first and the second input terminal of the DC-DC converter are arranged in antiparallel to the third switching element.
  • the third switching element is closed, in particular when the energy storage units are connected in series, the DC-DC converter is short-circuited and thus free of voltage.
  • Energy storage system comprising at least two energy storage units and a circuit arrangement as described above or according to one of the claims directed to the circuit arrangement, by means of a
  • the charging method comprises the temporally successive process steps:
  • the third switching element is opened, then the fourth switching element is closed and within the respective
  • Energy storage unit each balanced the state of charge of memory cells of the respective energy storage unit and then the fifth switching element is closed;
  • Energy storage unit to be connected to a first input of the circuit arrangement and to connect a second terminal of the second energy storage unit to a second input of the circuit arrangement and then the power supply is started from the DC voltage source connected to the first pole terminal and the second pole terminal to the energy storage units;
  • the charging process is terminated by opening the two seventh switching elements and optionally closing the third switching element and opening the fourth and fifth switching element, so that the energy storage units are connected in series.
  • Background of the invention is, by means of the charging process, the energy storage means by means of different DC voltage sources, each with different charging characteristics to be charged by the interconnection of the energy storage is adjusted so that the charging characteristics of the DC voltage source and the charging characteristics of the energy storage are compatible.
  • the maximum charging voltage of the DC voltage source is determined, wherein in the second method step, the maximum charging voltage of the energy storage system is determined, wherein in the fourth step, the first variant, a parallel circuit is selected when the maximum charging voltage of the energy storage system, the maximum charging voltage exceeds the DC voltage source.
  • DC-DC converter to connect to the DC voltage source.
  • a voltage can be generated by means of the DC voltage converter which corresponds to the rated voltage in a series connection of the energy storage units.
  • the core of the invention in the electrical energy storage system with at least two electrical energy storage units is that the electrical energy storage system, a circuit arrangement as described above
  • DC power sources can be charged.
  • the availability of charging stations for the vehicle is improved.
  • the switching elements can be used, for example, as semiconductor switching elements,
  • MOSFETs MOSFETs or IGBTs
  • electromechanical relays or contactors for example as MOSFETs or IGBTs, but also as electromechanical relays or contactors.
  • electrochemical battery cell and / or a battery module with at least one electrochemical battery cell and / or a battery pack are understood with at least one battery module.
  • Energy storage unit be a lithium battery cell or a lithium battery module or a lithium battery pack.
  • Energy storage unit be a lithium-ion battery cell or a lithium-ion battery module or a lithium-ion battery pack. Furthermore, the
  • Battery cell type lithium polymer accumulator nickel-metal hydride accumulator, lead-acid accumulator, lithium-air accumulator or lithium-sulfur accumulator or more generally an accumulator of any electrochemical composition.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement of an electrical energy storage system according to the prior art
  • Fig. 2 shows another circuit arrangement of an electrical
  • Fig. 3 shows a circuit arrangement according to the invention of an electrical
  • Fig. 4 shows a circuit arrangement according to the invention of an electrical
  • FIG. 5 shows a flow chart of a charging method according to the invention for a
  • FIG. 3 shows a first embodiment of the inventive circuit arrangement for an energy storage system 100.
  • the energy storage system 100 has a first energy storage unit Rl and a second energy storage unit R2, each having at least two in series
  • the respective energy storage unit (R1, R2) can also be a combination of energy storage cells 101 in
  • Each energy storage unit (R1, R2) has in each case a first, in particular positive, pole terminal (PI, P4) and a second, in particular negative,
  • the energy storage system 100 is connected by means of a first input E1 and a second input E2 having a not shown in the figures
  • a seventh switching element 108 is arranged between the first input El and the first pole terminal PI of the first energy storage unit Rl. Between the second input E2 and the second pole terminal P2 of the second energy storage unit R2, a further seventh switching element 108 is arranged. Via the respective seventh switching element 108, the respective pole terminal (PI, P2) and the respective input (E1, E2) can be electrically conductively connected to one another for charging the energy storage system 100.
  • the energy storage units (R1, R2) can be connected in series by means of a third switching element (S3).
  • S3 the third switching element between the second
  • Pole terminal P3 of the first energy storage unit Rl and the first terminal E4 of the second energy storage unit R2 arranged.
  • the second pole terminal of the first energy storage unit P3 and the first pole terminal P4 of the second energy storage unit R2 are electrically conductively connectable.
  • Energy storage unit R2 connectable.
  • the fifth switching element S5 is the second pole terminal P3 of the first energy storage unit Rl with the second pole terminal P2 of the second energy storage unit R2 connectable.
  • the first pole terminal PI of the first energy storage unit Rl is connected by means of a first switching element S1 to a first output AI of the energy storage system
  • Energy storage unit R2 is electrically conductively connected by means of a second switching element S2 with a second output A2 of the energy storage system 100.
  • the circuit arrangement has at least one precharge circuit 122, which is arranged in parallel with the fifth switching element S5.
  • a further precharging circuit (not shown) is arranged in parallel with the fourth switching element S4.
  • Switching element S3 is opened and the fourth and fifth switching element (S4, S5) and the seventh switching elements S7 are closed.
  • the first and second switching elements (S1, S2) can be closed. However, these components are then operated at half the normal operating voltage.
  • the third switching element S3 and the seventh switching elements S7 are closed, and the fourth and fifth switching elements (S4, S5) are opened.
  • the first and second switching element (Sl, S2) can be closed.
  • Switching element S4 and the fifth switching element S5 are opened before the third switching element S3 is closed in order to avoid a short circuit.
  • This can in mechanical switching devices, such as shooters, by a common mechanical coupling of the fourth switching element S4, the fifth Switching element S5 and the third switching element S3 carried out with a corresponding lagging of the closing of the third switching element S3 or electronic switching devices, such as MOSFETs or IGBTs, as well as uncoupled electromechanical switching devices by a corresponding veto wiring of the control or by appropriately secured software functions in a switching device controlling, not shown here electronic unit.
  • the circuit arrangement according to the invention for an energy storage system 100 can be used, for example, for an electric motor of a vehicle.
  • the DC link capacitor 103 connected.
  • the DC link capacitor 103 feeds a converter 106, which generates an AC voltage for the electric motor.
  • DC converter 104 can be arranged, which generates a low voltage, in particular 12 V or 48 V, for a vehicle electrical system 105, with the other electrical components of the vehicle are operable.
  • Energy storage system 100 can be fed, which is connected in parallel to the
  • DC link capacitor 103 is arranged.
  • Energy storage system 100 is also possible in power engineering, for example in wind energy technology or solar energy technology or hydropower energy technology.
  • Fig. 4 is a second embodiment of the invention
  • the second embodiment according to FIG. 4 has in addition to the first
  • the DC-DC converter 111 is, for example, for supplying power to the cooling device 102 and / or a further electrical component, in particular vehicle component, during the charging process
  • the DC-DC converter 111 is electrically conductively connected to the second pole terminal P3 of the first energy storage unit R1 and to a second input terminal to the first pole terminal P4 of the second energy storage unit R2.
  • Switching element S6 is connected between a first output terminal of
  • a second output terminal of the DC-DC converter 111 is electrically conductively connected to the second switching element S2, wherein the second
  • Switching element S2 is arranged between the second output terminal and the second output A2.
  • FIG. 5 shows a flowchart of a charging method according to the invention for an electrical energy storage system 100, comprising at least two energy storage units (R1, R2) and a circuit arrangement according to an exemplary embodiment by means of a DC voltage source.
  • the initial position of all switching elements (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7) for the following exemplary description is that all switching elements (S1, S2, S3, S4,
  • the charging process has the following temporal succession
  • a second method step ST201 at least one property of the energy storage system 100, in particular the maximum charge voltage of the energy storage system 100, is determined.
  • a fourth method step ST203 it is determined by means of the result of the third method step ST202 whether the energy storage units (R1, R2) are loaded in series in a first variant in parallel or in a second variant, in particular where the first variant, a
  • Parallel connection is selected when the maximum charging voltage of the
  • a third switching element S3 is closed and a fourth switching element S4 and a fifth switching element S5 are opened.
  • the third switching element S3 is opened in the fifth method step ST204, then the fourth switching element S4 is closed and within the respective energy storage unit (R1, R2) respectively the state of charge of memory cells 101 of the respective energy storage unit (R1, R2) are balanced by means of the precharge circuit 122 and then the fifth switching element S5 is closed.
  • a sixth method step ST205 two seventh switching elements 108 are closed by a first pole terminal PI of the first
  • a seventh method step ST206 the charge states of the energy storage units (R1, R2) are monitored.
  • an eighth process step ST207 the charging process is ended by opening the two seventh switching elements 108 and
  • a sixth switching element S6 is closed after the fifth method step, and the first switching element S1 remains open in the sixth method step in order to connect a DC-DC converter 111 to the DC voltage source.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem (100) mit zwei Energiespeichereinheiten (R1, R2), die jeweils einen ersten und einen zweiten Polanschluss (P1, P4, P3, P2) aufweisen, aufweisend: mindestens einen ersten und einen zweiten Eingang (E1, E2), mindestens einen ersten und einen zweiten Ausgang (A1, A2), ein erstes Schaltelement (S1) zwischen dem ersten Polanschluss (P1) der ersten Energiespeichereinheit (R1) und dem ersten Ausgang (A1), ein zweites Schaltelement (S2) zwischen dem zweiten Polanschluss (P2) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) und dem zweiten Ausgang (A2), wobei zwischen dem zweiten Polanschluss (P3) der ersten Energiespeichereinheit (R1) und dem ersten Polanschluss (P4) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) ein drittes Schaltelement (S3) angeordnet ist, wobei zwischen dem zweiten Polanschluss (P3) der ersten Energiespeichereinheit (R1) und dem zweiten Polanschluss (P2) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) ein viertes Schaltelement (S4) angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten Polanschluss (P1) der ersten Energiespeichereinheit (R1) und dem ersten Polanschluss (P4) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) ein fünftes Schaltelement (S5) angeordnet ist, wobei die Energiespeichereinheiten (R1, R2) in Abhängigkeit von der Schalterstellung des dritten, vierten und fünften Schaltelements (S3, S4, S5) parallel oder in Reihe geschaltet sind.

Description

Beschreibung Titel
Schaltungsanordnung und Ladeverfahren für ein elektrisches
Energiespeichersystem
Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung und ein Ladeverfahren für ein elektrisches Energiespeichersystem gemäß dem
Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
In heutigen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, insbesondere
Elektrofahrzeugen (EV) oder Hybridfahrzeugen (HEV), sind Batteriemodule durch Parallel- und Reihenschaltung von Einzelbatteriezellen aufgebaut, die im
Fahrzeug nach außen als ein Batteriepack wirken. Das Batteriepack hat eine Nennspannung, die abhängig von Ladezustand und Belastung des Batteriepacks den Spannungsbereich für Lade- und Entladevorgänge definiert.
Das Laden von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, insbesondere von
Fahrzeugen mit Batterie als Hauptenergiequelle, ist heutzutage Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung. Zum einen liegt dies daran, dass gegenwärtige Ladezeiten für eine vollständige Batterieladung noch sehr lang sind, und zum anderen wird die Kapazität zukünftiger Speicher eher noch zunehmen, sodass in naher Zukunft im Fahrzeug verbaute elektrische
Energiespeichersysteme mit Kapazitäten von mehr als 50 kWh zum Einsatz kommen werden. Gleichzeitig sind für eine breitere Akzeptanz dieser Fahrzeuge kürzere Ladezeiten, möglichst vergleichbar mit den Verweilzeiten beim
Tankvorgang von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, wünschenswert.
Bedingt durch technische Standards, verfügbare Bauteile und Technologien sowie Wirkungsgradanforderungen ist eine normale Betriebsspannung des Fahrzeugantriebsstranges derzeit beschränkt auf Werte von typischerweise 300 V bis 450 V bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Standardkonforme Ladestecker sind typischerweise für Nennströme bis 200 A zertifiziert, wobei die Ladespannung für Gleichspannungsladen typischerweise zwischen 200 V bis 850 V liegen kann. Durch Kommunikation zwischen Energiespeichersystem und Ladeeinrichtung kann ladeeinrichtungsseitig im Rahmen gewisser Grenzen eine stufenlose Regelung von Ladespannung und Ladestrom erfolgen.
Heutzutage verfügbare elektrische Energiespeichersysteme, insbesondere Batteriesysteme, bieten jedoch keine Möglichkeit, die Spannung beim Laden anzupassen, da ihre Verschaltung, beispielsweise in Reihen- oder
Parallelschaltung, fest verdrahtet ist, und gleichzeitig die antriebsseitig vorhandenen Komponenten, beispielsweise den Inverter, auf dem normalen Betriebsspannungsniveau weiter zu betreiben.
Ein Beispiel für eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik zeigt Figur 1: Eine Gleichspannungsladeeinrichtung ist mit einem Batteriesystem mittels Schaltelementen trennbar elektrisch leitend verbunden. Zwischen dem Batteriesystem und zumindest einem Verbraucher sind weitere Schaltelemente angeordnet, so dass das Batteriesystem mittels der weiteren Schaltelemente mit dem Verbraucher elektrisch leitend verbindbar ist. Bei Nichtnutzung des
Verbrauchers sind das Batteriesystem und der Verbraucher mittels der weiteren Schaltelemente elektrisch trennbar.
Ein weiteres Beispiel für eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik zeigt Figur 2: Eine Anpassung der Ladespannung von der
Gleichspannungsladeeinrichtung ist mittels eines Spannungswandlers zwischen der Gleichspannungsladeeinrichtung und dem Batteriesystem ermöglicht. Dieser Spannungswandler wird in einem von dem Batteriesystem gespeisten elektrisch angetriebenen Fahrzeug angeordnet.
DE 103 30 834 AI zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung wenigstens einer Last bei Netzausfall.
WO 2011/105794 offenbart ein hybrides Zellsystem mit einem seriellen
Schaltkreis, dessen Sekundärzellen sowohl seriell als auch parallel geschaltet werden können.
DE10 2012 219 488 AI zeigt eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Vorladen eines kapazitiven Bauelements.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung für ein elektrisches
Energiespeichersystem mit einer ersten Energiespeichereinheit und einer zweiten Energiespeichereinheit, die jeweils einen ersten Polanschluss und einen zweiten Polanschluss aufweisen, aufweisend:
mindestens einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang zur elektrisch leitenden Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle,
mindestens einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang zur elektrisch leitenden Verbindung mit zumindest einer elektrischen Komponente,
ein erstes Schaltelement, das zwischen dem ersten Polanschluss der ersten
Energiespeichereinheit und dem ersten Ausgang angeordnet ist, wobei der erste
Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit elektrisch leitend mit einem ersten Anschluss des ersten Schaltelements verbunden ist und der erste Ausgang elektrisch leitend mit einem zweiten Anschluss des ersten Schaltelements verbunden ist,
ein zweites Schaltelement, das zwischen dem zweiten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit und dem zweiten Ausgang angeordnet ist, wobei der zweite Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit elektrisch leitend mit einem ersten Anschluss des zweiten Schaltelements verbunden ist und der zweite Ausgang elektrisch leitend mit einem zweiten Anschluss des zweiten
Schaltelements verbunden ist,
wobei der erste Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit mittels eines siebten Schaltelements mit dem ersten Eingang elektrisch leitend verbindbar ist und der zweite Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit mittels eines weiteren siebten Schaltelements mit dem zweiten Eingang elektrisch leitend verbindbar ist.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zwischen dem zweiten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und dem ersten Polanschluss der zweiten
Energiespeichereinheit ein drittes Schaltelement angeordnet ist, wobei der zweite Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit elektrisch leitend mit einem ersten Anschluss des dritten Schaltelements verbunden ist und der erste Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit elektrisch leitend mit einem zweiten Anschluss des dritten Schaltelements verbunden ist,
wobei zwischen dem zweiten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und dem zweiten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit ein viertes Schaltelement angeordnet ist, wobei der zweite Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit elektrisch leitend mit einem ersten Anschluss des vierten Schalterelements verbunden ist und der zweite Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit elektrisch leitend mit einem zweiten Anschluss des vierten Schaltelements verbunden ist,
wobei zwischen dem ersten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit und dem ersten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit ein fünftes Schaltelement angeordnet ist, wobei der erste Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit elektrisch leitend mit einem ersten Anschluss des fünften Schaltelements verbunden ist und der erste Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit elektrisch leitend mit einem zweiten Anschluss des fünften Schaltelements verbunden ist,
wobei die Energiespeichereinheiten in Abhängigkeit von der Schalterstellung des dritten, vierten und fünften Schaltelements parallel oder in Reihe geschaltet sind.
Hintergrund der Erfindung ist, den Energiespeicher mittels verschiedener
Ladevorrichtungen mit jeweils verschiedenen Ladeeigenschaften laden zu können, indem die Verschaltung des Energiespeichers angepasst wird, so dass die
Ladeeigenschaften der Ladevorrichtung und die Ladeeigenschaften des
Energiespeichers kompatibel sind. Vorteilhafterweise sind die zwei Energiespeichereinheiten gleichartig ausgeführt. Somit ist die maximale Ladespannung des Energiespeichersystems in Reihenschaltung doppelt so groß wie in Parallelschaltung.
Vorzugsweise ist das dritte Schaltelement stromlos geschlossen. Liegt also keine Steuerspannung an dem dritten Schaltelement an, so ist es geschlossen.
Vorzugsweise sind das vierte und/oder fünfte Schaltelement stromlos geöffnet. Liegt also keine Steuerspannung an dem vierten und/oder fünften Schaltelement an, so ist es geöffnet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung zumindest eine Vorladeschaltung auf, die eingerichtet ist, Ausgleichströme zwischen der ersten Energiespeichereinheit und der zweiten Energiespeichereinheit zu begrenzen. Von Vorteil ist dabei, dass die zwei Energiespeichereinheiten auch bei sehr
unterschiedlichem Ladezustand in die Parallelschaltung überführt werden können. Dazu wird zuerst die Energiespeichereinheit mit dem niedrigeren Ladezustand mittels der Vorladeschaltung geladen und die Energiespeichereinheiten erst dann parallel geschaltet, wenn die Ladezustände der Energiespeichereinheiten aneinander angeglichen sind. Somit ist bei Energiespeicherzellen mit erhöhter Selbstentladung nur die Energiespeichereinheit vorzuladen, die die Energiespeicherzellen mit erhöhter Selbstentladung aufweist.
Vorteilhafterweise ist die Vorladeschaltung parallel geschaltet zu dem vierten
Schaltelement und/oder dem fünften Schaltelement angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung einen Gleichspannungswandler und ein sechstes Schaltelement auf, wobei ein erster Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers elektrisch leitend mit dem zweiten Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit verbunden ist, wobei ein zweiter Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers elektrisch leitend mit dem ersten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit verbunden ist, wobei das sechste Schaltelement zwischen einem ersten Ausgangsanschluss des
Gleichspannungswandlers und dem ersten Ausgang angeordnet ist, wobei ein erster Anschluss des sechsten Schaltelements elektrisch leitend mit dem ersten
Ausgangsanschluss des Gleichspannungswandlers verbunden ist und ein zweiter Anschluss des sechsten Schaltelements elektrisch leitend mit dem ersten Ausgang verbunden ist, wobei ein zweiter Ausgangsanschluss des Gleichspannungswandlers elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss des zweiten Schaltelementes verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass bei einer Parallelschaltung der Energiespeichereinheiten und der dadurch reduzierten Nennspannung des Energiespeichersystems mittels des Gleichspannungswandlers eine Spannung erzeugbar ist, die der Nennspannung bei einer Reihenschaltung der Energiespeichereinheiten entspricht. Mittels des
Gleichspannungswandlers sind somit weitere elektrische Komponenten während eines Ladevorgangs des Energiespeichersystems betreibbar.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der erste und der zweite Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers antiparallel geschaltet zum dritten Schaltelement angeordnet sind. Dadurch ist der Gleichspannungswandler bei geschlossenem dritten Schaltelement, insbesondere bei Reihenschaltung der Energiespeichereinheiten, kurzgeschlossen und somit spannungsfrei.
Der Kern der Erfindung bei dem Ladeverfahren für ein elektrisches
Energiespeichersystem, aufweisend zumindest zwei Energiespeichereinheiten und eine Schaltungsanordnung wie zuvor beschrieben beziehungsweise nach einem der auf die Schaltungsanordnung gerichteten Ansprüche, mittels einer
Gleichspannungsquelle, besteht darin, dass das Ladeverfahren die zeitlich aufeinander folgenden Verfahrensschritte aufweist:
wobei in einem ersten Verfahrensschritt zumindest eine Eigenschaft der
Gleichspannungsquelle ermittelt wird;
wobei in einem zweiten Verfahrensschritt zumindest eine Eigenschaft des Energiespeichersystems ermittelt wird; wobei in einem dritten Verfahrensschritt die zumindest eine Eigenschaft der Gleichspannungsquelle mit der zumindest einen Eigenschaft des
Energiespeichersystems verglichen wird;
wobei in einem vierten Verfahrensschritt mittels des Ergebnisses des dritten Verfahrensschrittes festgelegt wird, ob die Energiespeichereinheiten in einer ersten Variante parallel oder in einer zweiten Variante in Reihe geschaltet geladen werden;
wobei in einem fünften Verfahrensschritt bei der ersten Variante zur
Reihenschaltung der Energiespeichereinheiten ein drittes Schaltelement geschlossen wird und ein viertes Schaltelement und ein fünftes Schaltelement geöffnet werden;
wobei bei der zweiten Variante zur Parallelschaltung der
Energiespeichereinheiten das dritte Schaltelement geöffnet wird, danach wird das vierte Schaltelement geschlossen und innerhalb der jeweiligen
Energiespeichereinheit jeweils der Ladezustand von Speicherzellen der jeweiligen Energiespeichereinheit ausgeglichen und dann wird das fünfte Schaltelement geschlossen;
wobei in einem sechsten Verfahrensschritt zwei siebte Schaltelemente
geschlossen werden um einen ersten Polanschluss der ersten
Energiespeichereinheit mit einem ersten Eingang der Schaltungsanordnung zu verbinden und einen zweiten Polanschluss der zweiten Energiespeichereinheit mit einem zweiten Eingang der Schaltungsanordnung zu verbinden und danach die Energiezufuhr von der an den ersten Polanschluss und den zweiten Polanschluss angeschlossenen Gleichspannungsquelle an die Energiespeichereinheiten gestartet wird;
wobei in einem siebten Verfahrensschritt die Ladezustände der
Energiespeichereinheiten überwacht werden;
wobei in einem achten Verfahrensschritt der Ladevorgang beendet wird durch Öffnen der beiden siebten Schaltelemente und gegebenenfalls Schließen des dritten Schaltelements und Öffnen des vierten und fünften Schaltelements, so dass die Energiespeichereinheiten in Serie geschaltet werden.
Hintergrund der Erfindung ist, mittels des Ladeverfahrens den Energiespeicher mittels verschiedener Gleichspannungsquellen mit jeweils verschiedenen Ladeeigenschaften zu laden, indem die Verschaltung des Energiespeichers angepasst wird, so dass die Ladeeigenschaften der Gleichspannungsquelle und die Ladeeigenschaften des Energiespeichers kompatibel sind.
Vorteilhafterweise werden die Ladezustände der Energiespeicherzellen der jeweiligen Energiespeichereinheit im fünften Verfahrensschritt mittels eines
Energiespeichermanagementsystems des Energiespeichersystems angeglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird im ersten Verfahrensschritt die maximale Ladespannung der Gleichspannungsquelle bestimmt, wobei im zweiten Verfahrensschritt die maximale Ladespannung des Energiespeichersystems bestimmt wird, wobei im vierten Verfahrensschritt die erste Variante, eine Parallelschaltung, gewählt wird, wenn die maximale Ladespannung des Energiespeichersystems die maximale Ladespannung der Gleichspannungsquelle überschreitet. Von Vorteil ist dabei, dass die Ladespannung des Energiespeichersystems anpassbar ist an die Ladespannung der Gleichspannungsquelle durch die Anpassung der Verschaltung der Energiespeichereinheiten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird nach dem fünften
Verfahrensschritt ein sechstes Schaltelement geschlossen und das erste
Schaltelement bleibt im sechsten Verfahrensschritt geöffnet, um einen
Gleichspannungswandler mit der Gleichspannungsquelle zu verbinden. Dadurch ist bei einer Parallelschaltung der Energiespeichereinheiten und der dadurch reduzierten Nennspannung des Energiespeichersystems mittels des Gleichspannungswandlers eine Spannung erzeugbar, die der Nennspannung bei einer Reihenschaltung der Energiespeichereinheiten entspricht. Mittels des Gleichspannungswandlers sind somit weitere elektrische Komponenten während eines Ladevorgangs des
Energiespeichersystems betreibbar.
Der Kern der Erfindung bei dem elektrischen Energiespeichersystem mit mindestens zwei elektrischen Energiespeichereinheiten, besteht darin, dass das elektrische Energiespeichersystem eine Schaltungsanordnung wie zuvor beschrieben
beziehungsweise gemäß einem der auf die Schaltungsanordnung gerichteten
Ansprüche aufweist. Der Kern der Erfindung bei der Verwendung einer Schaltungsanordnung wie zuvor beschrieben beziehungsweise gemäß einem der auf die Schaltungsanordnung gerichteten Ansprüche besteht darin, dass die Schaltungsanordnung in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder in einem Hybridfahrzeug verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung ist, dass das Fahrzeug mittels verschiedener
Gleichspannungsquellen geladen werden kann. Somit ist die Verfügbarkeit von Ladestationen für das Fahrzeug verbessert.
Die Schaltelemente können beispielsweise als Halbleiterschaltelemente,
beispielsweise als MOSFETs oder IGBTs, aber auch als elektromechanische Relais oder Schütze ausgeführt werden.
Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine
elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische
Energiespeichereinheit eine Lithium-Batteriezelle oder ein Lithium-Batteriemodul oder ein Lithium-Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische
Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen- Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die
Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines elektrischen Energiespeichersystems gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine weitere Schaltungsanordnung eines elektrischen
Energiespeichersystems gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eines elektrischen
Energiespeichersystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eines elektrischen
Energiespeichersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform und
Fig. 5 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Ladeverfahrens für ein
elektrisches Energiespeichersystem.
Ausführungsformen der Erfindung Im folgenden Abschnitt wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf die die Erfindung aber in ihrem Umfang nicht beschränkt ist, erläutert. Die Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten beziehungsweise Verfahrensschritte.
In Fig. 3 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein Energiespeichersystem 100 dargestellt. Das Energiespeichersystem 100 weist eine erste Energiespeichereinheit Rl und eine zweiten Energiespeichereinheit R2 auf, die jeweils zumindest zwei in Reihe
geschaltete Energiespeicherzellen 101 aufweisen. Die jeweilige Energiespeichereinheit (Rl, R2) kann auch eine Kombination von Energiespeicherzellen 101 in
Reihenschaltung und Parallelschaltung oder eine Parallelschaltung von
Energiespeicherzellen 101 aufweisen.
Jede Energiespeichereinheit (Rl, R2) weist jeweils einen ersten, insbesondere positiven, Polanschluss (PI, P4) und einen zweiten, insbesondere negativen,
Polanschluss (P3, P2) auf.
Das Energiespeichersystem 100 ist mittels eines ersten Eingangs El und eines zweiten Eingangs E2 mit einer in den Figuren nicht dargestellten
Gleichspannungsquelle elektrisch leitend verbindbar. Zwischen dem ersten Eingang El und dem ersten Polanschluss PI der ersten Energiespeichereinheit Rl ist ein siebtes Schaltelement 108 angeordnet. Zwischen dem zweiten Eingang E2 und dem zweiten Polanschluss P2 der zweiten Energiespeichereinheit R2 ist ein weiteres siebtes Schaltelement 108 angeordnet. Über das jeweilige siebte Schaltelement 108 sind ist der jeweilige Polanschluss (PI, P2) und der jeweilige Eingang (El, E2) elektrisch leitend miteinander verbindbar zum Laden des Energiespeichersystems 100.
Die Energiespeichereinheiten (Rl, R2) sind mittels eines dritten Schaltelements (S3) in Reihe schaltbar. Dazu ist das dritte Schaltelement (S3) zwischen dem zweiten
Polanschluss P3 der ersten Energiespeichereinheit Rl und dem ersten Polanschluss E4 der zweiten Energiespeichereinheit R2 angeordnet. Dadurch sind der zweite Polanschluss der ersten Energiespeichereinheit P3 und der erste Polanschluss P4 der zweiten Energiespeichereinheit R2 elektrisch leitend verbindbar.
Zur Parallelschaltung der Energiespeichereinheiten (Rl, R2) weist die
Schaltungsanordnung ein viertes Schaltelement S4 und ein fünftes Schaltelement S5 auf. Mittels des vierten Schaltelements S4 ist der erste Polanschluss PI der ersten Energiespeichereinheit Rl mit dem ersten Polanschluss P4 der zweiten
Energiespeichereinheit R2 verbindbar. Mittels des fünften Schaltelements S5 ist der zweite Polanschluss P3 der ersten Energiespeichereinheit Rl mit dem zweiten Polanschluss P2 der zweiten Energiespeichereinheit R2 verbindbar.
Der erste Polanschluss PI der ersten Energiespeichereinheit Rl ist mittels eines ersten Schaltelements Sl mit einem ersten Ausgang AI des Energiespeichersystems
100 elektrisch leitend verbindbar. Der zweite Polanschluss P2 der zweiten
Energiespeichereinheit R2 ist mittels eines zweiten Schaltelements S2 mit einem zweiten Ausgang A2 des Energiespeichersystems 100 elektrisch leitend verbindbar. Die Schaltungsanordnung weist zumindest eine Vorladeschaltung 122 auf, die parallel geschaltet zu dem fünften Schaltelement S5 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist eine weitere nicht dargestellte Vorladeschaltung parallel geschaltet zu dem vierten Schaltelement S4 angeordnet. Zum Laden der Energiespeichereinheiten (Rl, R2) in Parallelschaltung ist das dritte
Schaltelement S3 geöffnet und das vierte und fünfte Schaltelement (S4, S5) und die siebten Schaltelemente S7 sind geschlossen. Um während des Ladevorganges Verbraucher, die mit den Ausgängen (AI, A2) des Batteriesystems jeweils elektrisch leitend verbunden sind, mit Energie versorgen zu können, können das erste und zweite Schaltelement (Sl, S2) geschlossen werden. Jedoch werden diese Komponenten dann nur mit der Hälfte der normalen Betriebsspannung betrieben.
Zum Laden der Energiespeichereinheiten (Rl, R2) in Reihenschaltung sind das dritte Schaltelement S3 und die siebten Schaltelemente S7 geschlossen und das vierte und fünfte Schaltelement (S4, S5) sind geöffnet. Um während des Ladevorganges
Verbraucher, die mit den Ausgängen (AI, A2) des Batteriesystems jeweils elektrisch leitend verbunden sind, mit Energie versorgen zu können, können das erste und zweite Schaltelement (Sl, S2) geschlossen werden. Dabei ist bei Herstellung der Reihenschaltung darauf zu achten, dass zuerst das vierte
Schaltelement S4 und das fünfte Schaltelement S5 geöffnet werden, bevor das dritte Schaltelement S3 geschlossen wird, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Dies kann bei mechanischen Schalteinrichtungen, beispielsweise Schützen, durch eine gemeinsame mechanische Kopplung des vierten Schaltelementes S4, des fünften Schaltelementes S5 und des dritten Schaltelementes S3 erfolgen mit entsprechendem Nacheilen des Schließens des dritten Schaltelementes S3 oder bei elektronischen Schalteinrichtungen, beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, sowie bei nicht gekoppelten elektromechanischen Schalteinrichtungen durch eine entsprechende Veto-Beschaltung der Ansteuerung beziehungsweise durch entsprechend abgesicherte Softwarefunktionen in einer die Schalteinrichtung kontrollierenden, hier nicht dargestellten elektronischen Einheit.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für ein Energiespeichersystem 100 ist beispielsweise für einen Elektromotor eines Fahrzeugs verwendbar. Dazu sind die Ausgänge (AI, A2) des Energiespeichersystems 100 mit einem
Zwischenkreiskondensator 103 verbunden. Der Zwischenkreiskondensator 103 speist einen Umrichter 106, der eine Wechselspannung für den Elektromotor erzeugt.
Parallel geschaltet zu dem Zwischenkreiskondensator 103 ist ein weiterer
Gleichspannungswandler 104 anordenbar, der eine Niederspannung, insbesondere 12 V oder 48 V, für ein Fahrzeugbordnetz 105 erzeugt, mit dem weitere elektrische Komponenten des Fahrzeugs betreibbar sind.
Aus dem Zwischenkreiskondensator 103 ist eine Kühlvorrichtung 102 für das
Energiespeichersystem 100 speisbar, die parallel geschaltet zu dem
Zwischenkreiskondensator 103 angeordnet ist.
Die beschriebene Verwendung einer Schaltungsanordnung für ein
Energiespeichersystem 100 ist auch in der Energietechnik möglich, beispielsweise in der Windenergietechnik oder Solarenergietechnik oder Wasserkraftenergietechnik.
In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung dargestellt.
Die zweite Ausführungsform gemäß Fig. 4 weist zusätzlich zu der ersten
Ausführungsform gemäß Fig. 3 einen Gleichspannungswandler 111 und ein sechstes Schaltelement S6 auf. Der Gleichspannungswandler 111 ist beispielsweise zur Spannungsversorgung der Kühlvorrichtung 102 und/oder einer weiteren elektrischen Komponente, insbesondere Fahrzeugkomponente, während des Ladevorgangs bei
Parallelschaltung der Energiespeichereinheiten verwendbar.
Der Gleichspannungswandler 111 ist mit einem ersten Eingangsanschluss mit dem zweiten Polanschluss P3 der ersten Energiespeichereinheit Rl und mit einem zweiten Eingangsanschluss mit dem ersten Polanschluss P4 der zweiten Energiespeichereinheit R2 elektrisch leitend verbunden. Das sechste
Schaltelement S6 ist zwischen einem ersten Ausgangsanschluss des
Gleichspannungswandlers 111 und dem ersten Ausgang AI angeordnet. Ein zweiter Ausgangsanschluss des Gleichspannungswandlers 111 ist elektrisch leitend mit dem zweiten Schaltelement S2 verbunden, wobei das zweite
Schaltelement S2 zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgang A2 angeordnet ist.
Die Eingangsanschlüsse des Gleichspannungswandlers 111 sind antiparallel geschaltet zu dem dritten Schaltelement S3 angeordnet. Zur Verwendung des Gleichspannungswandlers 111 bei einer Parallelschaltung der Energiespeichereinheiten wird das erste und dritte Schaltelement (Sl, S3) geöffnet und das zweite, vierte, fünfte und sechste Schaltelement (S2, S4, S5, S6) und die siebten Schaltelemente S7 werden geschlossen. Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Ladeverfahrens für ein elektrisches Energiespeichersystem 100, aufweisend zumindest zwei Energiespeichereinheiten (Rl, R2) und eine Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel mittels einer Gleichspannungsquelle. Die Ausgangsstellung aller Schaltelemente (S1 , S2, S3, S4, S5, S6, S7) für die nachfolgende exemplarische Beschreibung ist dabei, dass alle Schaltelemente (S1 , S2, S3, S4,
S5, S6, S7) geöffnet sind.
Das Ladeverfahren weist die folgenden zeitlich aufeinander folgenden
Verfahrensschritte auf: In einem ersten Verfahrensschritt ST200 wird zumindest eine Eigenschaft der Gleichspannungsquelle, insbesondere die maximale Ladespannung der
Gleichspannungsquelle, ermittelt.
In einem zweiten Verfahrensschritt ST201 wird zumindest eine Eigenschaft des Energiespeichersystems 100, insbesondere die maximale Ladespannung des Energiespeichersystems 100, ermittelt.
In einem dritten Verfahrensschritt ST202 wird die zumindest eine Eigenschaft der Gleichspannungsquelle mit der zumindest einen Eigenschaft des
Energiespeichersystems 100 verglichen.
In einem vierten Verfahrensschritt ST203 wird mittels des Ergebnisses des dritten Verfahrensschrittes ST202 festgelegt, ob die Energiespeichereinheiten (Rl, R2) in einer ersten Variante parallel oder in einer zweiten Variante in Reihe geschaltet geladen werden, insbesondere wobei die erste Variante, eine
Parallelschaltung, gewählt wird, wenn die maximale Ladespannung des
Energiespeichersystems 100 die maximale Ladespannung der
Gleichspannungsquelle überschreitet.
In einem fünften Verfahrensschritt ST204 wird bei der ersten Variante zur Serienschaltung der Energiespeichereinheiten (Rl, R2) ein drittes Schaltelement S3 geschlossen und ein viertes Schaltelement S4 und ein fünftes Schaltelement S5 werden geöffnet.
Bei der zweiten Variante zur Parallelschaltung der Energiespeichereinheiten (Rl, R2) wird das dritte Schaltelement S3 im fünften Verfahrensschritt ST204 geöffnet, danach wird das vierte Schaltelement S4 geschlossen und innerhalb der jeweiligen Energiespeichereinheit (Rl, R2) jeweils der Ladezustand von Speicherzellen 101 der jeweiligen Energiespeichereinheit (Rl, R2) mittels der Vorladeschaltung 122 ausgeglichen und dann wird das fünfte Schaltelement S5 geschlossen. In einem sechsten Verfahrensschritt ST205 werden zwei siebte Schaltelemente 108 geschlossen um einen ersten Polanschluss PI der ersten
Energiespeichereinheit Rl mit einem ersten Eingang El der
Schaltungsanordnung zu verbinden und einen zweiten Polanschluss P2 der zweiten Energiespeichereinheit R2 mit einem zweiten Eingang E2 der
Schaltungsanordnung zu verbinden. Danach wird die Energiezufuhr von der an den ersten Polanschluss PI und den zweiten Polanschluss P2 angeschlossenen Gleichspannungsquelle an die Energiespeichereinheiten (Rl, R2) gestartet wird.
In einem siebten Verfahrensschritt ST206 werden die Ladezustände der Energiespeichereinheiten (Rl, R2) überwacht.
Sobald der gewünschte Ladezustand der Energiespeichereinheiten (Rl, R2) erreicht wurde, wir in einem achten Verfahrensschritt ST207 der Ladevorgang beendet durch Öffnen der beiden siebten Schaltelemente 108 und
gegebenenfalls Schließen des dritten Schaltelements S3 und Öffnen des vierten und fünften Schaltelements (S4, S5), so dass die Energiespeichereinheiten (Rl, R2) in Serie geschaltet werden.
In einem alternativen Ladeverfahren wird nach dem fünften Verfahrensschritt ein sechstes Schaltelement S6 geschlossen und das erste Schaltelement Sl bleibt im sechsten Verfahrensschritt geöffnet, um einen Gleichspannungswandler 111 mit der Gleichspannungsquelle zu verbinden.

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung für ein elektrisches Energiespeichersystem (100) mit einer ersten Energiespeichereinheit (Rl) und einer zweiten Energiespeichereinheit (R2), die jeweils einen ersten Polanschluss (PI, P4) und einen zweiten Polanschluss (P3, P2) aufweisen, aufweisend:
mindestens einen ersten Eingang (El) und einen zweiten Eingang (E2) zur elektrisch leitenden Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle,
mindestens einen ersten Ausgang (AI) und einen zweiten Ausgang (A2) zur elektrisch leitenden Verbindung mit zumindest einer elektrischen Komponente, ein erstes Schaltelement (Sl), das zwischen dem ersten Polanschluss (PI) der ersten Energiespeichereinheit (Rl) und dem ersten Ausgang (AI) angeordnet ist, wobei der erste Polanschluss (PI) der ersten Energiespeichereinheit (Rl) elektrisch leitend mit einem ersten Anschluss des ersten Schaltelements (Sl) verbunden ist und der erste Ausgang (AI) elektrisch leitend mit einem zweiten Anschluss des ersten Schaltelements (Sl) verbunden ist,
ein zweites Schaltelement (S2), das zwischen dem zweiten Polanschluss (P2) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) und dem zweiten Ausgang (A2) angeordnet ist, wobei der zweite Polanschluss (P2) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) elektrisch leitend mit einem ersten Anschluss des zweiten Schaltelements (S2) verbunden ist und der zweite Ausgang (A2) elektrisch leitend mit einem zweiten Anschluss des zweiten Schaltelements (S2) verbunden ist,
wobei der erste Polanschluss (PI) der ersten Energiespeichereinheit (Rl) mittels eines siebten Schaltelements (108) mit dem ersten Eingang (El) elektrisch leitend verbindbar ist und der zweite Polanschluss (P2) der zweiten
Energiespeichereinheit (R2) mittels eines weiteren siebten Schaltelements (108) mit dem zweiten Eingang (E2) elektrisch leitend verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem zweiten Polanschluss (P3) der ersten Energiespeichereinheit (Rl) und dem ersten Polanschluss (P4) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) ein drittes Schaltelement (S3) angeordnet ist, wobei der zweite Polanschluss (P3) der ersten Energiespeichereinheit (Rl) elektrisch leitend mit einem ersten Anschluss des dritten Schaltelements (S3) verbunden ist und der erste Polanschluss (P4) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) elektrisch leitend mit einem zweiten
Anschluss des dritten Schaltelements (S3) verbunden ist,
wobei zwischen dem zweiten Polanschluss (P3) der ersten Energiespeichereinheit (Rl) und dem zweiten Polanschluss (P2) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) ein viertes Schaltelement (S4) angeordnet ist, wobei der zweite Polanschluss (P3) der ersten Energiespeichereinheit (Rl) elektrisch leitend mit einem ersten
Anschluss des vierten Schalterelements (S4) verbunden ist und der zweite Polanschluss (P2) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) elektrisch leitend mit einem zweiten Anschluss des vierten Schaltelements (S4) verbunden ist, wobei zwischen dem ersten Polanschluss (PI) der ersten Energiespeichereinheit (Rl) und dem ersten Polanschluss (P4) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) ein fünftes Schaltelement (S5) angeordnet ist, wobei der erste Polanschluss (PI) der ersten Energiespeichereinheit (Rl) elektrisch leitend mit einem ersten
Anschluss des fünften Schaltelements (S5) verbunden ist und der erste
Polanschluss (P4) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) elektrisch leitend mit einem zweiten Anschluss des fünften Schaltelements (S5) verbunden ist, wobei die Energiespeichereinheiten (Rl, R2) in Abhängigkeit von der
Schalterstellung des dritten, vierten und fünften Schaltelements (S3, S4, S5) parallel oder in Reihe geschaltet sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltungsanordnung zumindest eine Vorladeschaltung (122) aufweist, die eingerichtet ist, Ausgleichströme zwischen der ersten Energiespeichereinheit (Rl) und der zweiten Energiespeichereinheit (R2) zu begrenzen.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorladeschaltung (122) parallel geschaltet zu dem vierten Schaltelement (S4) und/oder dem fünften Schaltelement (S5) angeordnet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Gleichspannungswandler (111) und ein sechstes Schaltelement (S6) aufweist,
wobei ein erster Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers (111) elektrisch leitend mit dem zweiten Polanschluss (P3) der ersten
Energiespeichereinheit (Rl) verbunden ist, wobei ein zweiter Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers (111) elektrisch leitend mit dem ersten
Polanschluss (P4) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) verbunden ist, wobei das sechste Schaltelement (S6) zwischen einem ersten Ausgangsanschluss des Gleichspannungswandlers (111) und dem ersten Ausgang (AI) angeordnet ist, wobei ein erster Anschluss des sechsten Schaltelements (S6) elektrisch leitend mit dem ersten Ausgangsanschluss des Gleichspannungswandlers (111) verbunden ist und ein zweiter Anschluss des sechsten Schaltelements (S6) elektrisch leitend mit dem ersten Ausgang (AI) verbunden ist,
wobei ein zweiter Ausgangsanschluss des Gleichspannungswandlers (111) elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss des zweiten Schaltelementes (S2) verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste und der zweite Eingangsanschluss des Gleichspannungswandlers (111) antiparallel geschaltet zum dritten Schaltelement (S3) angeordnet sind.
6. Ladeverfahren für ein elektrisches Energiespeichersystem (100), aufweisend
zumindest zwei Energiespeichereinheiten (Rl, R2) und eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mittels einer Gleichspannungsquelle, wobei das Ladeverfahren die zeitlich aufeinander folgenden Verfahrensschritte aufweist:
wobei in einem ersten Verfahrensschritt (ST200) zumindest eine Eigenschaft der Gleichspannungsquelle ermittelt wird;
wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (ST201) zumindest eine Eigenschaft des Energiespeichersystems (100) ermittelt wird;
wobei in einem dritten Verfahrensschritt (ST202) die zumindest eine Eigenschaft der Gleichspannungsquelle mit der zumindest einen Eigenschaft des
Energiespeichersystems (100) verglichen wird; wobei in einem vierten Verfahrensschritt (ST203) mittels des Ergebnisses des dritten Verfahrensschrittes (ST202) festgelegt wird, ob die
Energiespeichereinheiten (Rl, R2) in einer ersten Variante parallel oder in einer zweiten Variante in Reihe geschaltet geladen werden;
wobei in einem fünften Verfahrensschritt (ST204) bei der ersten Variante zur Reihenschaltung der Energiespeichereinheiten (Rl, R2) ein drittes Schaltelement (S3) geschlossen wird und ein viertes Schaltelement (S4) und ein fünftes
Schaltelement (S5) geöffnet werden;
wobei bei der zweiten Variante zur Parallelschaltung der
Energiespeichereinheiten (Rl, R2) das dritte Schaltelement (S3) geöffnet wird, danach wird das vierte Schaltelement (S4) geschlossen und innerhalb der jeweiligen Energiespeichereinheit (Rl, R2) jeweils der Ladezustand von
Speicherzellen (101) der jeweiligen Energiespeichereinheit (Rl, R2) ausgeglichen und dann wird das fünfte Schaltelement (S5) geschlossen;
wobei in einem sechsten Verfahrensschritt (ST205) zwei siebte Schaltelemente (108) geschlossen werden um einen ersten Polanschluss (PI) der ersten
Energiespeichereinheit (Rl) mit einem ersten Eingang (El) der
Schaltungsanordnung zu verbinden und einen zweiten Polanschluss (P2) der zweiten Energiespeichereinheit (R2) mit einem zweiten Eingang (E2) der Schaltungsanordnung zu verbinden und danach die Energiezufuhr von der an den ersten Polanschluss (PI) und den zweiten Polanschluss (P2) angeschlossenen Gleichspannungsquelle an die Energiespeichereinheiten (Rl, R2) gestartet wird; wobei in einem siebten Verfahrensschritt (ST206) die Ladezustände der
Energiespeichereinheiten (Rl, R2) überwacht werden;
wobei in einem achten Verfahrensschritt (ST207) der Ladevorgang beendet wird durch Öffnen der beiden siebten Schaltelemente (108) und gegebenenfalls Schließen des dritten Schaltelements (S3) und Öffnen des vierten und fünften Schaltelements (S4, S5), so dass die Energiespeichereinheiten (Rl, R2) in Serie geschaltet werden.
Ladeverfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
im ersten Verfahrensschritt (ST200) die maximale Ladespannung der
Gleichspannungsquelle bestimmt wird, wobei im zweiten Verfahrensschritt (ST201) die maximale Ladespannung des Energiespeichersystems (100) bestimmt wird,
wobei im vierten Verfahrensschritt (ST203) die erste Variante, eine
Parallelschaltung, gewählt wird, wenn die maximale Spannung des
Energiespeichersystems (100) die maximale Ladespannung der
Gleichspannungsquelle überschreitet.
Ladeverfahren nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem fünften Verfahrensschritt (ST204) ein sechstes Schaltelement (S6) geschlossen wird und das erste Schaltelement (Sl) im sechsten Verfahrensschritt (ST205) geöffnet bleibt, um einen Gleichspannungswandler (111) mit der
Gleichspannungsquelle zu verbinden. 9. Elektrisches Energiespeichersystem (100) mit mindestens zwei elektrischen
Energiespeichereinheiten (R1 , R2),
dadurch gekennzeichnet, dass
das elektrische Energiespeichersystem (100) eine Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
10. Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder in einem Hybridfahrzeug.
EP18716622.8A 2017-04-24 2018-04-11 Schaltungsanordnung und ladeverfahren für ein elektrisches energiespeichersystem Active EP3616295B1 (de)

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DE102017206834.5A DE102017206834A1 (de) 2017-04-24 2017-04-24 Schaltungsanordnung und Ladeverfahren für ein elektrisches Energiespeichersystem
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